指令流水线技术

本章为进阶内容，零基础读者可以跳过，不影响后续阅读。

复习

　　假设洗一桶衣服要经过“洗 → 烘 → 叠“三步。如果一个人从头做到尾，一桶接一桶地干，那他大部分时间都在等机器，很浪费。

　　但如果有三个人流水作业：一个负责洗，一个负责烘，一个负责叠，那么第一桶在烘的时候，第二桶已经在洗了。虽然单桶的总时间没变，但每小时完成的桶数（吞吐率）大大提高了。

　　流水线（Pipeline）就是这个思路用到 CPU 上。

　　把指令执行拆成五个阶段：

　　不流水时，一条指令占满五个阶段，下一条只能干等。流水之后，每一拍都有五条指令分别处于五个阶段：

指令1： F  D  E  M  W
指令2：    F  D  E  M  W
指令3：       F  D  E  M  W
指令4：          F  D  E  M  W

　　流水线填满后，每个时钟周期就能完成一条指令。前面思考题里那个“1000 条指令只要约 1003 个周期“的答案，就是这么来的。

　　现实中没这么理想，会出现冒险（Hazard），也就是让流水线卡壳的冲突。主要有三类：

数据冒险：后一条指令要用前一条还没算出来的结果。
- 例：ADD R1,R2,R3 后面紧跟 SUB R4,R1,R5，R1 还没写好就要用
- 解决：转发（把还没写回的结果直接送过去）、必要时停顿（插几个空拍）
控制冒险：遇到分支跳转，不知道下一条该取哪里。
- 解决：分支预测（猜一把，猜错再倒回来）、延迟槽等
结构冒险：多条指令抢同一个硬件资源（比如同时要访问存储器）。
- 解决：把指令缓存和数据缓存分开、增加功能部件